Архив / 1996 / №2 / 

Терморегулятор микропроцессорный ТРМ-4

Как и другие регуляторы серии ТРМ, данный прибор обеспечивает измерение температуры среды, в которую помещен термочувствительный датчик; последующее отображение результатов измерения на четырехразрядном  ЖКИ и двухпозиционное регулирование данной температуры с помощью внешнего нагревателя в соответствии с введенными оператором величинами заданной температуры Туст и допустимого отклонения ΔТ. Главным отличием прибора ТРМ-4 от остальных терморегуляторов данной серии является то, что в качестве термочувствительного датчика в данном приборе используется термоэлектрический преобразователь температуры – термопара  (реально в производстве освоено две модификации – для термопар ТХК и ТХА). По сравнению с другими типами термодатчиков термопары обладают рядом преимуществ. Это прежде всего широкий интервал измеряемых температур с сохранением значительной точности измерений, малые габаритные размеры таких датчиков, высокая повторяемость термоэлектрических свойств сплавов, благодаря которой термопары одного типа могут взаимозаменяться без дополнительной калибровки. Все это обуславливает широкое применение термопарных  датчиков температуры в промышленности, научном оборудовании и т.д.

Но термопарные датчики температуры имеют также ряд особенностей, которые затрудняют реализацию высокоточных измерительных устройств на их основе.Проблема обработки сигналов с термопар связана прежде всего с низкими выходными напряжениями (не более 80 мкВ/oС), большими уровнями наводок и относительно большой величиной нелинейности характеристики. Особую проблему при работе с термопарами составляет необходимость компенсации температуры холодного (опорного) спая термопары. Дело в том, что выходное напряжение термопары пропорционально разности температур между двумя спаями, а на практике требуется знание температуры чувствительного (рабочего) спая.

Если измеряются очень высокие температуры, а опорный спай термопары находится при температуре близкой к комнатной, то о вносимой им погрешности можно чаще всего не беспокоиться. Но при более точных измерениях приходится учитывать температуру холодного спая. Сделать это можно двумя способами:

1. Поддерживать на опорном спае постоянную температуру 0оС или любую другую точно контролируемую температуру с введением соответствующей поправки в результат измерения.

2. Более современные методы заключаются в построении компенсирующих схем, которые корректируют отличие, связанное с тем, что температура на опорном спае не равна 0оС. Основная идея заключается в использовании дополнительного (чаще всего полупроводникового) датчика, контролирующего температуру опорного спая, и схемы, формирующей поправку к напряжению, т.е. компенсирующей разницу между фактической температурой опорного спая и стандартной (0оС).

Решение всех перечисленных задач только методами, применяемыми в современной аналоговой схемотехнике, требовало применения довольно сложных схемотехнических решений, использования большого числа прецизионных электронных компонентов и значительных затрат на наладку и регулировку подобной измерительной аппаратуры. Применение микропроцессорной техники для решения этих задач позволило использовать для измерения температуры такие методы, которые обеспечивают компенсацию большинства основных источников погрешностей. Кроме того такой подход к решению данной задачи позволил значительно упростить схему аналоговой части измерителя, сократить до минимума количество прецизионных элементов и в несколько раз снизить затраты времени на наладку и регулировку прибора.

Для понимания принципов, положенных в основу функционирования прибора ТРМ-4, рассмотрим упрощенную схему прибора, приведенную на рисунке 1.

Центральным узлом прибора является микропроцессорное вычислительное устройство МПВУ. Оно обеспечивает управление всеми составными частями схемы: выработку сигналов управления аналоговой частью измерителя; обработку результатов измерения и выдачу их на индикатор; ввод значения заданной температуры и допустимой погрешности с помощью набора кнопок и управление исполнительным ключевым устройством, включающим нагреватель.

В терморегуляторе ТРМ-4 МПВУ реализовано на основе однокристальной микро-ЭВМ фирмы Intel.

Программа, обеспечивающая функционирование данного микропроцессора в составе терморегулятора ТРМ-4, записывается во внутреннее ПЗУ микросхемы. Кроме того, для обеспечения работоспособности прибора без вмешательства оператора в случае периодического отключения электропитания, предусмотрено наличие энергонезависимого электрически-перепрограммируемого запоминающего устройства EEPROM. Оно предназначено для хранения заданных значений температуры объекта регулирования Туст, величины ее допустимого отклонения ΔТ и некоторой служебной информации, необходимой для перезапуска процессора.

Служебная информация представляет из себя некоторое контрольное число, значение которого зависит от наличия или отсутствия сбоев в работе процессора при предшествующих запусках. Если ранее произошел сбой (или если производится первый запуск микропроцессора в работу по данной программе), то микропроцессор сам запишет в соответствующие ячейки EEPROM некоторые заранее заданные значения параметров регулирования. Если же значение контрольного числа указывает на отсутствие сбоев, то микропроцессор считает записанные ранее значения параметров регулирования верными и в дальнейшем использует их в работе.

Микропроцессор сравнивает получаемые в результате измерения значения текущей температуры объекта с хранящимся в памяти заданием и на основании результатов сравнения управляет работой силовых ключей. При этом реле, коммутирующее силовые цепи внешнего нагревателя, будет замкнуто, когда измеряемая температура объекта Тоб = Туст - Δ Т, и это реле выключится при дости-жении значения Тоб = Туст + Δ Т.

Таким образом устанавливается периодический процесс включения и отключения нагревателя, который обеспечивает поддержание средней температуры объекта регулирования вблизи заданного значения Туст.
Особо следует остановиться на методике измерения температуры. Для осуществления процесса измерения микропроцессор выдает последовательность адресных кодов, обеспечивающих управление переключением каналов мультиплексора MS, реализованного на микросхеме КР590КН3. Так как величины измеряемых напряжений малы, то для полного использования динамического диапазона преобразователя их необходимо усилить. Для этого используется усилитель УС. Он реализован на элементах микросхемы К1401УД2А. Кроме того, большое входное сопротивление усилителя позволяет исключить влияние ненулевого сопротивления ключей на величину напряжения на выходе мультиплексора. С выхода усилителя сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в частоту ПНЧ. Преобразователь служит для преобразования аналоговых величин измеряемых напряжений в цифровую форму, необходимую для обработки в микропроцессоре. В приборе ТРМ-4 ПНЧ выполнен на микросхеме КР1108ПП1. На выходе преобразователя возникает последовательность частот, каждая из которых прямо пропорциональна напряжению источника сигнала, выбираемого переключением каналов мультиплексора.

При подаче на адресные  входы мультиплексора адреса «1» вход усилителя оказывается соединен с общим проводом. При этом на выходе усилителя вырабатывается некоторое напряжение, характеризующее реальные погрешности схемы измерителя. Источниками таких погрешностей могут служить токи утечки ключей мультиплексора, входные токи и напряжения смещения ОУ, пульсации напряжений питания, временные и температурные дрейфы параметров компонентов и т.д. При этом на выходе ПНЧ будет выработана частота Fпогр, в значении которой будут учтены все вышеперечисленные факторы. В дальнейшем это позволит при вычислении значения температуры объекта скомпенсировать влияние этих факторов.

При подаче на адресные входы мультиплексора адреса «2» на вход усилителя будет подано напряжение с источника образцового напряжения (ИОН). Точное значение этого напряжения устанавливается резистором R1 при регулировке прибора. ИОН реализован на термокомпенсированном стабилитроне D818Е. На выходе ПНЧ при этом появятся импульсы с частотой Fобр.

При подаче адреса «3» ко входу усилителя оказывается подключено напряжение, поступающее с термопары. При этом на выходе ПНЧ будет вырабатываться импульсный сигнал с частотой Fизм.
И наконец, при подаче адреса «4» ко входу усилителя будет подключено напряжение с датчика температуры опорного спая (DТОС). Конкретная величина этого напряжения устанавливается резистором R2 в процессе калибровки прибора.

Датчиком температуры опорного спая служит микросхема К1019ЕМ1 в миниатюрном металлостеклянном корпусе. Она должна находиться при температуре максимально близкой с температурой опорного спая термопары. Для реализации этого условия предусмотрена возможность, в случае необходимости, вынесения микросхемы за пределы корпуса прибора ТРМ-4. На выходе микросхемы К1019ЕМ1 возникает напряжение прямо пропорциональное абсолютной температуре ее корпуса с температурным коэффициентом 10 мВ/оК.

Измерение напряжения на выходе датчика температуры опорного спая приводит к появлению на выходе  ПНЧ импульсов с частотой  Fкомп.

Микропроцессор постоянно производит циклическую смену адресов мультиплексора. В результате с выхода ПНЧ на специальный счетный вход микропроцссора поступают периодически повторяющиеся импульсные последовательности с частотами  Fпогр, Fобр, Fизм и Fкомп. После каждой смены адреса микропроцессор отсчитывает некоторый защитный интервал времени, необходимый для завершения переходного процесса в преобразователе, а затем переходит к измерению поступающей частоты. Измерение частоты происходит за счет подсчета количества импульсов на калиброванном интервале времени. Длительность этого интервала стабилизирована кварцевым резонатором тактового генератора микропроцессора и равна приблизительно 1 сек.
При этом, благодаря интегрированию по времени, значительно снижается влияние на результаты измерений внешних наводок, имеющих вид периодического сигнала симметричной формы (от токов промышленной частоты, например).

В результате измерения частот, поступающих на счетный вход, микропроцессор получает соответствующие численные значения (они соответствуют числу импульсов за образцовый интервал  времени):  Nпогр, Nобр,  Nизм и Nкомп соответственно.

Далее для вычисления значения измеряемой температуры микропроцессор производит с этими числами следующее преобразование:

Здесь величины N'оп, N'изм и N'комп - это значения числа импульсов соответствующих частот, которые получились бы в случае применения идеального преобразователя, не содержащего погрешностей. Поэтому вычитание величины Nпогр позволяет скомпенсировать влиние погрешностей схемы на результаты измерения.

Умножение на 1000 необходимо для получения реального значения температуры выводимого на индикатор, т.к. максимальная измеряемая температура +1300оС  (для термопары ТХА).

Вычитание 273 необходимо для перевода показаний датчика температуры холодного спая к шкале Цельсия.

Кроме этого во внутреннем ПЗУ микропроцессора записана таблица поправок, которая позволяет производить коррекцию результатов рассчета с целью компенсации нелинейности характеристики термопары. Это позволило обойтись без достаточно громоздких и сложных в настройке аналоговых схем компенсации нелинейности термопары.

Такой подход не требует дополнительных аппаратных затрат, отличается высокой точностью компенсации, а также исключительной повторяемостью и стабильностью.

Суммируя все вышеизложенное можно заключить, что используемая в приборе ТРМ-4 методика измерения температуры объекта регулирования обеспечивает значительное ослабление влияния всех возможных источников ошибок измерения.

Кроме того, при таком подходе значительно снижаются требования к точности и стабильности используемых компонентов.

Ограничения накладываются только на стабильность источника образцового напряжения и линейность преобразователя напряжения в частоту. Все эти требования легко выполнимы при современной элементной базе.

Дополнительно следует сказать, что применение микропроцессора позволило с минимальными аппаратными затратами реализовать необходимое  преобразование и выдачу результатов измерения на жидкокристаллический индикатор.

Оператор может управлять работой регулятора с помощью двух кнопок. Нажатием кнопки «Режим» прибор последовательно переводится в режимы записи значений заданной температуры Туст, пределов ее допустимого отклонения ΔТ и величины корректирующей поправки (о назначении этой поправки будет сказано далее). При этом значения задаваемых параметров высвечиваются на ЖКИ, а режимы работы отображаются соответствующими светодиодными индикаторами.  Управление процессом записи осуществляется с помощью кнопки «Установка». При однократном ее нажатии выбранная цифра изменяет свое значение на единицу, а длительное удержание в нажатом состоянии обеспечивает последовательный выбор других цифр. Для удобства работы оператора замыкание внутреннего исполнительного реле прибора отображается зажиганием светодиода «Нагрев».

В терморегуляторе предусмотрена возможность контроля за аварийным состоянием датчика. В случае обрыва цепи термопары на вход мультиплексора через высокоомный резистор R5 поступит напряжение, значение которого значительно превышает величину выходного сигнала термопары в рабочем диапазоне температур. Процессор определяет это состояние и вырабатывает сигнал на отключение исполнительного реле и соответствующего индикатора «Нагрев», а также на включение светодиода «Авария».

Если по каким-либо причинам при эксплуатации прибора будет выявлено наличие систематической погрешности измерения (например из-за плохого теплового контакта между объектом и датчиком), то такую погрешность можно скомпенсировать за счет дополнительно вводимой оператором поправки. Значение этой поправки вводится в режиме «Коррекция» и хранится в EEPROM наряду с другими параметрами регулирования.

В итоге, при практически полном отсутствии дополнительных элементов схемы, мы получили прибор, по простоте и удобству управления находящийся на одном уровне с ручными электронными часами, обладающий при этом высокими техническими характеристиками.

Введение перечисленных функциональных возможностей не потребовало никаких дополнительных аппаратных затрат и было осуществлено лишь на этапе создания программы. Вообще следует отметить, что подобная гибкость, обеспечиваемая применением микропроцессорного управления, является одним из основных преимуществ данного прибора над большинством производимых в настоящее время регуляторов, реализующих в большинстве своем традиционные аналоговые методы.

Не производя каких-либо переделок принципиальной схемы прибора можно вносить изменения в алгоритм управления нагревателем, производить доработку прибора с целью использования других типов термопар или введения дополнительных сервисных функций.

Так, например, в настоящее время близятся к завершению работы по созданию на базе прибора ТРМ-4 регулятора, реализующего пропорционально-интегральное регулирование температуры объекта.
Особо следует отметить модификацию прибора ТРМ-4И. При сохранении всех вышеперечисленных возможностей, данный прибор позволяет осуществлять вывод информации о текущей температуре, величинах уставок и режимах работы на любое внешнее вычислительное устройство через последовательный интерфейс RS232.

Это делает ТРМ-4И совместимым с большинством применяемых в настоящее время персональных компьютеров. Благодаря этому становится возможным включение данного терморегулятора в состав сложных разветвленных систем автоматизированного управления и сбора данных (особенно если учитывать потенциальную возможность легкой доработки программного обеспечения прибора).

Конструктивно прибор выполнен в пластмассовом корпусе габаритами 105х125х60 мм (см.  фото).

Конструкция корпуса предусматривает герметизирующие резиновые прокладки между крышкой корпуса и основанием. Кабельные вводы снабжены резиновыми уплотнениями и предусматривают дополнительную герметизацию герметиком. Это обеспечивает возможность работы прибора в условиях повышенной влажности и запыленности воздуха.

Основные технические характеристики прибора:

Пределы регулируемой и контролируемой температуры:
для термопары ТХК от 0 до 750оС
для термопары ТХА от 0 до 1200оС
Зона возврата для   ±0,5оС- температуры регулирования  ±9,9оС
Основная погрешность   контроля температуры  ±2оС.

Подводя итоги, можно сказать, что терморегулятор ТРМ-4 удачно сочетает в себе малые габариты, простоту и удобство пользования, высокие точностные параметры контроля температуры с относительной простотой и дешевизной практической схемной и конструктивной реализации, а также с возможностью достаточно простой и гибкой доработки прибора для решения различных задач.

Игорь Рубцов